亞利桑那州立大學(xué)的研究人員提出了一種基于亞波長(zhǎng)厚(<1/5λ0)混合石墨烯-等離子體超表面結(jié)構(gòu)的紅外波段增強(qiáng)飽和吸收效果的設(shè)計(jì)概念。Yu Yao和她在亞利桑那州立大學(xué)光子學(xué)創(chuàng)新中心的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種更快、更節(jié)能的納米級(jí)激光組件，稱(chēng)為石墨烯—等離子體激元混合亞結(jié)構(gòu)可飽和吸收體，簡(jiǎn)稱(chēng)GPSMA。

該團(tuán)隊(duì)的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)激發(fā)納米級(jí)熱點(diǎn)內(nèi)的非平衡載流子，不僅可以增強(qiáng)石墨烯的可飽和吸收，而且可以將飽和通量降低超過(guò)3個(gè)數(shù)量級(jí)（從約1 mJ/cm2至100 nJ/cm2)。他們的抽運(yùn)-探針測(cè)量結(jié)果顯示了超短的飽和吸收恢復(fù)時(shí)間(<60 fs)，這最終由石墨烯中光激發(fā)載流子的弛豫動(dòng)力學(xué)決定。他們還根據(jù)自相關(guān)測(cè)量結(jié)果在器件中觀察到脈沖變窄效應(yīng)。這樣的設(shè)計(jì)概念可以通過(guò)結(jié)構(gòu)工程來(lái)定制，以在更寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)操作，直至中紅外和遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)域。這些超快低飽和注量可飽和吸收體設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)低閾值，緊湊，自啟動(dòng)鎖模激光器，激光脈沖整形和高速光學(xué)信息處理。

激光產(chǎn)生窄光束。當(dāng)激光的光與納米尺度的材料表面相互作用時(shí)，它會(huì)發(fā)出一種被稱(chēng)為等離子體激元的光波，而一個(gè)給定的等離子體激元的屬性可以發(fā)出信息信號(hào)。在光傳輸中，激光器將光抽到一個(gè)叫做可飽和吸收體的部件上，以產(chǎn)生光信號(hào)。

該團(tuán)隊(duì)最近開(kāi)發(fā)的GPSMA在通信、信息處理、光譜學(xué)和生物醫(yī)學(xué)行業(yè)都有潛在的應(yīng)用。該吸收器可用于提高速度，效率和整體性能，以促進(jìn)數(shù)據(jù)傳輸，信息處理，生物醫(yī)學(xué)傳感和成像技術(shù)。

Yao的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在他們的工作中結(jié)合了一種人工工程金屬-石墨烯混合材料，因?yàn)樗诠庹{(diào)制和可飽和吸收方面具有有益的特性。

科學(xué)家們通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)光學(xué)天線陣列，將光聚焦到材料的納米級(jí)間隙，即熱點(diǎn)，以提高吸收，從而取得了令人印象深刻的結(jié)果。通過(guò)將激光聚焦在這些熱點(diǎn)上，他們觀察到了性能的提高和能耗的降低。

“石墨烯重量輕，光響應(yīng)時(shí)間快，但單分子層吸收率低，”姚說(shuō)。“我們?cè)O(shè)計(jì)了這個(gè)裝置，使納米熱點(diǎn)的光吸收可以增加三個(gè)數(shù)量級(jí)以上，不僅有很強(qiáng)的光吸收，而且還具有飽和吸收效應(yīng)。利用GPSMA，我們正在制造一種可飽和吸收器裝置，它實(shí)際上可以將功耗降低近兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)。”

它們的新技術(shù)以其速度之快，為紅外激光光譜和高速光信號(hào)通信提供了與光纖電纜和衛(wèi)星通信的機(jī)會(huì)。

“我們的設(shè)備可以以創(chuàng)紀(jì)錄的高速度運(yùn)行，”Yao說(shuō)。“傳統(tǒng)的可飽和吸收器可以工作在納秒的時(shí)間尺度上，但現(xiàn)在我們可以工作到大約60飛秒，這是100,000倍的速度?！?/p>

GPSMA目前在電磁光譜上以近紅外波長(zhǎng)工作.由于石墨烯具有廣泛的光學(xué)響應(yīng)，使得它的光譜覆蓋范圍有可能擴(kuò)展到紅外光譜區(qū)域的較長(zhǎng)波長(zhǎng)，這在分子光譜學(xué)和光通信領(lǐng)域具有重要的意義。然而，對(duì)于較長(zhǎng)的波長(zhǎng)，通常很難獲得飽和吸收器和產(chǎn)生超短的激光脈沖。GPSMA的設(shè)計(jì)理念可以填補(bǔ)這一技術(shù)空白。